Post on 17-Apr-2015
Processos HidrológicosProcessos Hidrológicos
CST 318 / SER 456CST 318 / SER 456
Tema 2 - ANO 2013Tema 2 - ANO 2013
Camilo Daleles RennóLaura De Simone Bormahttp://www.dpi.inpe.br/~camilo/prochidr/
O Papel do Solo no Ciclo HidrológicoO Papel do Solo no Ciclo Hidrológico
lençol freático
percolação
fluxo ascendente
infiltração escoamentosuperficial
chuva
evaporação (interceptação)transpiração
evaporação
rocha
escoamentosub-superficial
evapotranspiração
Zona deAeração
(não saturada)
Zona deSaturação
Zona deRaízes
O que é Solo?O que é Solo?
O termo solo se refere à camada superficial da crosta terrestre, que se encontra intemperizada e fragmentada e é constituída por partículas minerais, matéria orgânica, água, ar e organismos vivos.
Origina-se da rocha que, por ação de processos físicos, químicos e biológicos de desintegração, decomposição e recombinação, transformou-se, no decorrer do tempo, num material poroso. Pode ter origem na rocha matriz subjacente ou ser constituído de materiais provenientes de outras regiões, transportadas pela água, vento ou gelo.
Reconhecem-se cinco fatores na formação do solo: material de origem (rocha), tempo (idade), clima, topografia e organismos vivos.
http://danielrsilveira.blogspot.com/2010/04/formacao-do-solo.html
São necessários 10.000 anos para a formação de 1 cm de solo a partir de uma rocha granítica
Perfil do SoloPerfil do Solo
O – Horizonte com predominância de restos orgânicos (H – quando em condições hidromórficas)A – Horizonte mineral escurecido pela acumulação de matéria
orgânica
E – Horizonte de cores claras, de onde as argilas e outras partículas finas foram lixiviadas pela água
B – Horizonte de acumulação de materiais provenientes dos horizontes superiores, principalmente argilas. Pode apresentar cores avermelhadas devido à presença de óxidos e hidróxidos de ferro
C – Horizonte constituído por material não consolidado
R – Rocha consolidada
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Água
Matéria orgânica
Argila
Nutrientes
Características Morfológicas dos SolosCaracterísticas Morfológicas dos Solos
Espessura e transição entre horizontes
Cor
Textura
Estrutura e Porosidade
Consistência
Cerosidade
Presença de nódulos e concreções
Estes atributos são utilizados para classificar os solos
CorCor
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Cores escuras: indicam presença de matéria orgânica e estão relacionadas com os horizontes mais superficiais.
Cores vermelhas: indicam condições de boa drenagem e aeração do solo. Estão relacionadas com a presença de hematita.
Cores amarelas: podem indicar condições de boa drenagem, mas com regime mais úmido. Estão relacionadas com a presença de goetita.
Cores claras: indicam presença de minerais claros (caolinita e quartzo). Pode significar a perda de materiais corantes.
Cores acinzentadas: indicam condições de saturação do solo com água (redução do ferro).
Cores mosqueadas: manchas amarelas, vermelhas, pretas, em uma matriz ou fundo normalmente acinzentado.
Definida a partir da Carta de Cores Munsell para Solos (Matiz/Valor/Croma)
TexturaTextura
Diz respeito a distribuição de tamanho das partículas do solo
Fração Diâmetro
Matacões > 20 cm
Calhaus 20 mm a 20cm
Cascalhos 2 a 20 mm
Areia Grossa 0,2 a 2 mm
Areia Fina 0,05 a 0,2 mm
Silte 0,002 a 0,05 mm
Argila < 0,002 mm
O conhecimento da textura é importante pois fornece informação sobre o solo a respeito de:
• sua capacidade em permitir a movimentação da água (condutividade hidráulica),
• sua capacidade em reter/armazenar água,
• seu potencial de fertilidade e,
• sua capacidade mecânica
Classificação granulométrica
Matacões, Calhaus e CascalhosMatacões, Calhaus e Cascalhos
linha de pedras
Diâmetros maiores que 2 mm
Não são considerados como parte da fração fina do solo
Fração AreiaFração Areia
Diâmetro entre 0,05 e 2 mm
Partículas visíveis a olho nu
Formato arredondado ou angular
Sensação áspera ao tato
Não tem coesão (não é plástico, nem pegajoso)
As areias quartzosas têm coloração branca. Se o quartzo estiver misturado com outros minerais a coloração pode ser marrom. Algumas areias podem ser avermelhadas ou amareladas devido aos sesquióxidos
Baixa superfície específica
Pobre em nutrientes
Os poros formados entre as partículas de areia favorecem a drenagem e a aeração
Armazena pouca água
Fração SilteFração Silte
Diâmetro entre 0,002 e 0,05 mm
Partículas invisíveis a olho nu
Sensação sedosa ao tato
É plástico, mas não é pegajoso quando molhado
Retém mais água que a areia
Facilmente lavável e sujeito à erosão
Retém mais nutrientes que a areia
Fração ArgilaFração Argila
Diâmetro menor que 0,002 mm
Possuem formato de lâminas planas ou pequenos flocos
As partículas de argila são colóides
Sensação sedosa ao tato
É pegajoso e plástico (fácil de ser moldado)
Alguns tipos apresentam expansão e contração (argilas 2:1)
Alta superfície específica
Formam espaços porosos pequenos
Alta capacidade de retenção de água
Grande capacidade de adsorção de elementos químicos
Classe TexturalClasse Textural
Fração Diâmetro
Matacões > 20 cm
Calhaus 20 mm a 20cm
Cascalhos 2 a 20 mm
Areia Grossa 0,2 a 2 mm
Areia Fina 0,05 a 0,2 mm
Silte 0,002 a 0,05 mm
Argila < 0,002 mm
TerraFina
Secaao Ar
A Classe textural é definida a partir das proporções das frações areia
(grossa+fina), silte e argila presente na amostra de solo.
Triângulo Textural (SBCS)
Ex: 60% areia 10% argila e 30% silte
(textura franco arenosa)
Determinação da Textura do SoloDeterminação da Textura do Solo
Qualitativa (campo)
baseado na sensação ao tato (plasticidade e pegajosidade)
requer experiência (presença de outros materiais podem mascarar o
resultado)
Quantitativa (laboratório)
uso de peneiras para frações mais grossas (> 0,05mmm)
método da pipeta para frações argila e silte (areia fina é calculada por
diferença)
Estrutura e PorosidadeEstrutura e Porosidade
Estrutura é o arranjo das partículas primárias do solo formando agregados (torrões). Este arranjo é geralmente bastante complexo não permitindo uma caracterização geométrica.
A descrição da estrutura é feita no campo, observando-se detalhadamente os agregados por ocasião de sua remoção no perfil.
A estrutura depende do grau de adesão e coesão das partículas durante o processo de intemperismo.
A estrutura do solo é determinante para a porosidade do solo, ou seja, na distribuição e no tamanho dos poros. A estrutura do solo afeta, portanto, a capacidade de retenção e a condutividade hidráulica do solo. Afeta processos tais como germinação, crescimento de raízes, erosão, etc.
A estrutura do solo resulta de uma combinação de diversos fatores: raízes, húmus e matéria orgânica em geral, microorganismos, coesão das partículas, conteúdo e tipo de argila, e conteúdo de óxidos de alumínio e ferro.
Classificação de SolosClassificação de Solos
Sistema Brasileiro Sistema Americano
http://www.pedologiafacil.com.br
Ex: Latossolo Amarelo Distrófico Típico Oxisol Ustic Dystrophic Typic
(esta correspondência nem sempre é biunívoca)
Permite extrapolar as características dos solos para outros locais com iguais condições climáticas, geológicas e de relevo (sem dados experimentais)
Classificação de SolosClassificação de Solos
Mapa de Solos do Brasil atualizado com base no atual Sistema Brasileiro de Classificação de Solos (Embrapa, 2006)
http://www.agencia.cnptia.embrapa.br/gestor/arroz/arvore/CONT000fesi63xh02wx5eo0y53mhyx67oxh3.html
Relação entre Solo e PaisagemRelação entre Solo e Paisagem
Região Oeste Paulista
Centro-Oeste Paulista
Região Norte
Região Nordeste
http://www.pedologiafacil.com.br
As 3 fases do SoloAs 3 fases do Solo
Sólidos (~50%)(~50%) Poros
Mineral (~45%)
Orgânica (~5%)
Ar
Água
O solo pode ser entendido
como um meio poroso onde a
fração sólida (matriz do solo)
é praticamente constante
para um determinado solo
(cerca de 50%). Os espaços
entre as partículas sólidas
(poros) são ocupados pelas
frações gasosa (atmosfera do
solo - ar) e líquida (solução
do solo – água) em diferentes
proporções.
PorosidadePorosidade
A porosidade influencia
diretamente no movimento da
água no solo
A porosidade determina a
capacidade de armazenamento
da água no solo
O arranjo entre os componentes sólidos (física e quimicamente
diferentes, e com formas e tamanhos variados) determina as
características geométricas dos poros, nos quais a água e o ar se
movimentam ou são retidos.
Solo Arenoso Solo Argiloso
PorosGrandes
PorosPequenos
Densidade do Solo e PorosidadeDensidade do Solo e Porosidade
(cerca de 2,65 g cm-3 para a maioria dos solos minerais)
Densidade real (ou das partículas): é uma medida da relação entre a
massa do solo seco (Ms, g) e o volume (Vs, cm3) das partículas do solo,
dada por:
Densidade aparente: é uma medida da relação entre a massa do solo seco
(Ms, g) e o volume total* (Vt, cm3) da amostra do solo, dada por:
Porosidade: é uma medida da relação entre o volume de poros (Vp, cm3) e o
volume total (Vt, cm3) da amostra do solo, dada por:
*Vt considera a amostra indeformada, ou seja, a estrutura do
solo
Conteúdo de Água no SoloConteúdo de Água no Solo
Conteúdo gravimétrico: é uma medida da relação entre as massas de água
(Mw, g) e do solo seco (Ms, g), dada por:
Conteúdo volumétrico: é uma medida da relação entre os volumes de água
(Vw, cm3) e total (Vt, cm3) do solo, dada por:
Usa-se umidade volumétrica para se calcular a lâmina d’água (1 mm = 1 l m-2) equivalente estocada no solo, quando se quer realizar o balanço hidrológico (relacionar precipitação, água no solo, evapotranspiração e deflúvio na mesma unidade de medida).
Determinação da umidade do soloDeterminação da umidade do solo
Métodos diretos:
•Gravimétrico
Métodos indiretos:
•Sonda de nêutrons
•Baseados na condutividade elétrica (TDR)
•Tensiômetros (curva de retenção)
Método GravimétricoMétodo Gravimétrico
Uma amostra indeformada (não perturbada)
do solo é retirada usando-se um anel
volumétrico e imediatamente pesada (Mt)
Leva-se a amostra para secar em estufa
(105oC) por 24 horas, pesando-a
novamente. A diferença entre pesos
resulta na massa de água (Mw)
É um método destrutivo, não permitindo a
repetição da amostragem no mesmo
ponto
Sonda de NêutronsSonda de Nêutrons
Usa uma fonte radioativa que emite nêutrons rápidos. Os
nêutrons rápidos colidem com elementos do solo e
desaceleram.
Um detector “conta” o número de nêutrons lentos. A
densidade de nêutrons lentos é diretamente proporcional
a quantidade de hidrogênio presente no solo, permitindo
correlacioná-la com a umidade volumétrica do solo através
de uma calibração prévia.Pode ser usado a qualquer profundidade, avaliando um
volume referente a uma esfera de 30 cm de diâmetro, sem
introduzir uma grande perturbação no solo.
No entanto, sofre influência do conteúdo natural de hidrogênio
no solo (grande desacelerador de nêutrons), da densidade
do solo e de outros componentes químicos.
Além disso, é radiativo
TDR (TDR (Time Domain ReflectometryTime Domain Reflectometry))
Baseia-se na determinação da constante dielétrica do solo (),
que mede a tendência de moléculas de uma substância de
se orientarem em um campo elétrico. A constante
dielétrica da água é de cerca de 80, das partículas
minerais de 3 a 7, e do ar de 1. Esta grande diferença
permite estimar a umidade volumétrica do solo.
É um método não destrutivo e não radiativo. Permite
medições automáticas e contínuas. No entanto, requer
uma calibração específica para cada tipo de solo e não
funciona adequadamente em solos com alto teor de argila,
quartzo e matéria orgânica. A temperatura do solo
também influencia nas medições de umidade.
ExemploExemplo
Uma amostra não perturbada foi tirada do solo. A amostra tem 10 cm de comprimento e 5 cm de diâmetro. O peso da amostra imediatamente após ser retirada foi de 331,8 g. Após secagem a 105oC, o peso foi de 302,4 g. Calcule a densidade aparente, a porosidade, o conteúdo de água (gravimétrico e volumétrico).
Volume da amostra é
A densidade do solo é
Considerando que r = 2,65 gcm-3, a porosidade é
O conteúdo volumétrico de água é
O conteúdo gravimétrico é
pontes dehidrogênio
Propriedades da água: estrutura Propriedades da água: estrutura molecularmolecular
As duas propriedades mais importantes da água são: H- O
-
--
--
--
-
HH
O-
--
--
--
-
- -
+
-
++++++
• As ligações covalentes (os átomos de H e O compartilham os elétrons da camada externa) são muito fortes na água.
• A estrutura molecular da água é assimétrica, formando ângulos de 104,5o entre os átomos de H, o que provoca a existência de cargas positivas de um lado e negativa do outro, possibilitando a formação de pontes de hidrogênio que mantém a coesão entre as moléculas de água.
As partículas do solo são carregadas positivamente, promovendo a adsorção (ou adesão) da água às partículas sólidas
Tensão Superficial e CapilaridadeTensão Superficial e Capilaridade
A tensão superficial ocorre, em geral, na
interface líquido-gás. O líquido se comporta
como se estivesse coberto por uma
membrana elástica em estado de tensão
permanente, e que tende a provocar a
contração da superfície, tentando assumir
uma área mínima.
coesão
ad
esã
o
ad
esã
o
gra
vid
ad
e
Tem relação com a capilaridade já que a
interface entre o líquido e o gás não é plana
mas curva, o que provoca a movimentação
ascendente da água. A altura da coluna
d’água é inversamente proporcional ao
diâmetro do capilar.
Potencial de Água no SoloPotencial de Água no Solo
Os poros presentes no solo, representados
pelos espaços entre as partículas
(mineral e orgânica) que constituem o
solo, podem estar totalmente
preenchidos com água, como na zona
saturada, ou estar parcialmente
preenchidos por ar, como na zona não
saturada.
partículasde solo
água
ar
Toda partícula de água no solo está
sujeita a uma série de forças que
determinarão o sentido e
velocidade de deslocamento
desta partícula dentro do solo.
Os poros da zona de aeração podem ficar
temporariamente saturados por ocasião
da chuva ou irrigação, mas, deixados
em repouso, retornarão à condição não
saturada.
Potencial de Água no SoloPotencial de Água no Solo
A energia com a qual o solo retém a água é medida em termos de potencial
de água (), que tem unidades de pressão*, ou energia por unidade de
volume, que equivale à força por unidade de área.
O movimento da água será sempre orientado para a região de menor
potencial
O potencial de água no solo é a soma dos potenciais gravitacional, osmótico e de
pressão.
B
A
A > B A < B
B
A
A = B
B
A
* Unidades de pressão: 1000 kPa = 10 bar = 101,98 mca = 7500,64 mmHg
Potencial GravitacionalPotencial Gravitacional
O potencial gravitacional (g) é baseado simplesmente na posição da
partícula de água dentro do campo gravitacional relativo a um nível de
referência qualquer.
Considerando como superfície de referência o nível do mar, a força
gravitacional é sempre positiva e orientada para baixo, o que faz que
a água, desconsiderando os outros potenciais, tenha a tendência de
mover-se verticalmente para baixo ao longo do perfil do solo.
Potencial OsmóticoPotencial Osmótico
O potencial osmótico (o) é baseado na diferença de concentração de sais
entre dois pontos.
Em geral, pode ser negligenciado para a maioria dos solos. Apenas em
solos salinos este potencial pode tornar-se importante fazendo com
que a água seja mais fortemente retida no solo, dificultando sua
retirada pelas raízes das plantas.
Potencial de PressãoPotencial de Pressão
Por convenção, a pressão exercida na linha do lençol freático é nula,
sendo positiva abaixo (zona saturada) e negativa acima deste nível
(zona não saturada). O potencial de pressão negativo é chamado de
potencial matricial (m) e o positivo é denominado simplesmente de
carga (c).
Em solos não saturados, o potencial matricial representa a força de
adesão da água às partículas do solo. Quanto menor for a umidade,
mais fortemente a água será retida pelas partículas do solo.
Em solos saturados, a carga representa o peso da coluna d’água sobre o
ponto considerado.
Curva de Retenção do SoloCurva de Retenção do Solo
Cada solo, dependendo de sua textura e porosidade, possui uma curva de
retenção característica que relaciona o conteúdo de umidade e o
potencial matricial deste solo.
É importante observar que a relação entre a umidade e o potencial
matricial é diferente se este solo estiver recebendo ou perdendo água.
Este fenômeno é conhecido como histerese.
0,6
0,5
0,4
0,3
0,2
0,1
00 -0,001 -0,01 -0,1 -1 -10 -100 (MPa)
fase desecamento
fase deumedecimento
m
0,6
0,5
0,4
0,3
0,2
0,1
00 -0,001 -0,01 -0,1 -1 -10 -100 (MPa)
m
argila
silte
areia
Medição do Potencial de Água no SoloMedição do Potencial de Água no Solo
Métodos indiretos:
• Medindo-se a umidade e obtendo-se o potencial através da curva de
retenção característica do solo
Métodos diretos:
• Tensiômetros (0 até -85 kPa)
• Baseados na condutividade elétrica (entre -100 e -1500 kPa)
TensiômetroTensiômetro
É um tubo cilíndrico, geralmente de PVC, com uma
cápsula porosa instalada em um extremo.
A cápsula porosa, geralmente de cerâmica, tem
poros tão finos que eles permanecem saturados
nos potenciais de pressão encontrados em
condições de campo.
O tubo está em contato íntimo com o solo, e o
interior do tubo é completamente cheio de água.
A diferença de pressão entre a cápsula porosa e
solo é transmitida para o tubo do tensiômetro.
Blocos PorososBlocos Porosos
Dois eletrodos envolvidos por um bloco de gesso ou nylon
medem a condutividade elétrica, que tem relação com
o potencial de água no solo (necessitam calibração).
Não são adequados para solos salinos, já que o conteúdo
de sais afeta a calibração do bloco.
Podem ser usados sob tensão bem maior que os
tensiômetros, e são mais sensíveis em potenciais mais
negativos (solos muito secos).
Não tem boa precisão em potenciais próximos a zero
(umidade próximo à saturação).
Câmara de Richards (Laboratório)Câmara de Richards (Laboratório)
O sistema consta de panela de pressão, placa
cerâmica porosa e equipamentos de produção e
controle de pressão, podendo usar tanto
amostras indeformadas como deformadas.
Trabalham com pressões entre -10 e -1500 kPa
As amostras (úmidas) são pesadas
logo após serem submetidas a
uma pressão negativa pré-
determinada e, em seguida, são
secas em estufa para determinar
o conteúdo de água da amostra.
Relação entre Relação entre e e mm
• Brooks-Corey
• van Genuchten
Se é a saturação efetiva (entre 0 e 1)s e r são os conteúdos volumétricos de água na
saturação natural (Vw = Vp) e residual ( = -1500kPa)
b é o potencial de entrada de ar ou pressão de entrada do ar é chamado de índice de distribuição de poros(se |m|≥|b| então = s)
e n são parâmetros
Brooks, R.H.; Corey, A.T. (1966). Properties of porous media affecting fluid flow. Journal Irrigation Drain. Div., 92 (IR2): 61-68.van Genuchten, M.Th. (1980). A closed-form equation for predicting the hydraulic conductivity of unsaturated soils. Soil Science Society of America Journal 44 (5): 892–
898.
-m
sr
BC
vG
Redistribuição da Água no PerfilRedistribuição da Água no Perfil
argiloso
arenoso
-m
s (arg) > s (aren)
r (arg) > r (aren)
Limite superior da zona capilar
lençol freático ( = 0)
Condições de equilíbrio para um solo homogêneo
Em condições reais vários fatores alteram esta distribuição:
•A existência de horizontes do solo que determinam que a relação entre o m e (curva de retenção) variem com a profundidade.
•A existência de raízes, que reduzem o conteúdo de umidade na zona radicular
•A oscilação do lençol freático como consequência da recarga e do fluxo de base
•A presença de frentes úmidas no perfil do solo como consequência da infiltração
•A presença de evaporação do solo, que cria perfis de dessecamento nas camadas superiores do solo
Redistribuição da Água no PerfilRedistribuição da Água no Perfil
a) condição de equilíbrio com solo seco à superfície e saturado ao nível do lençol freático
b) com o início da precipitação, a infiltração é rápida, adicionando água nas camadas superficiais
c) a precipitação continua, saturando o solo nas primeiras camadas
d) a precipitação cessa, a umidade superficial começa a descer no perfil do solo e evaporar
e) a umidade continua a descer com velocidades diferentes (camadas com diferentes texturas e porosidades) gerando curvas de umidade mais complexas
Base
ad
o e
m H
ew
lett
(1
98
2)
MacroporosMacroporos
Matrizdo Solo
Macroporo
Filmes de água-3100 kPa -1500 kPa -100 kPa
Água Disponível: CC e PMPÁgua Disponível: CC e PMP
Após a chuva ou irrigação, a infiltração cessa e a água se redistribui dentro do perfil principalmente pela influência do potencial gravitacional.
A umidade do solo na qual a redistribuição praticamente cessa é denominada capacidade de campo (CC), ou seja, é a umidade que o solo consegue sustentar sob a ação da gravidade.
Em laboratório, corresponde a umidade da amostra de solo previamente saturada, submetida a uma pressão de -33kPa (ou -6 ou -10 kPa).
Apesar de arbitrário, este conceito é considerado por muitos como um critério prático e útil para o limite superior de água que um solo pode reter.
Saturação
Todos os poros estão cheios de
água. A água gravitacional
é perdida.
Capacidade
de Campo
Apenas os macroporos
estão ocupados por
ar.
Capacidade
de Campo
Apenas os macroporos
estão ocupados por
ar.
Água Disponível: CC e PMPÁgua Disponível: CC e PMPA água perdida pelas plantas por
transpiração deve ser constantemente reposta pela extração da água do solo na zona radicular.
Quando a planta não consegue mais retirar a água do solo, as folhas perdem a turgidez e a planta murcha.
O ponto de murcha permanente (PMP) é definido como a umidade do solo na qual uma planta não mais recupera a turgidez (mesmo quando colocada em atmosfera saturada por 12 horas).
Em laboratório, corresponde a umidade da amostra de solo submetida a uma pressão de -1500 kPa.
É também bastante arbitrário (as xerófitas podem extrair água até -7500 kPa e as freatófitas não além de -500 kPa)
Ponto de Murcha
Permanente
Não há mais água
disponível para as plantas
(umidade residual)
Água Disponível(CC – PMP)
Água Disponível: CC e PMPÁgua Disponível: CC e PMP
areia francoarenoso
franco francosiltoso
francoargiloso
argila
Água DisponívelÁgua Gravita
cional
Água Higroscópica
UM
IDA
DE
PMP
CC
saturação